2007-09-12 / Владимир Покровский
Черные дыры умирают еще до своего рождения. По крайней мере так утверждают американские физики-теоретики из Университета Case Western Reserve из штата Огайо. Они вывели математические формулы, из которых следует, что черные дыры просто не могут формироваться. Если эти формулы верны, то рушится самая, пожалуй, главная космологическая конструкция XX века.
Что такое черная дыра? Мы все знаем, об этом нам множество раз доложено. Это такое сверхмассивное тело, гравитация которого просто ужасна. Как только что-нибудь приближается к нему на расстояние от центра, именуемое горизонтом событий, то всё – уже никогда это что-нибудь, будь то материальное тело, будь то просто квант электромагнитного излучения – фотон, который тоже материальное тело, но одновременно и электромагнитная волна, назад вырваться не сможет. Таким образом, еще не зная о фотонах, когда-то определил черную дыру великий Лаплас, потом в 1916 году ее предсказал немецкий физик Шварцшильд, хотя сам термин – «черная дыра» – был предложен только в 1967 году.
Ну мало ли, сверхмассивное тело, которое втягивает в себя все, что неосторожно окажется поблизости, – что в этом особенного для нашего превосходящего всякое воображение космоса? Особенное есть – его привнес Эйнштейн, правда, не сам, а с помощью своей теории относительности. Согласно этой теории, все, что попадает в черную дыру, сваливается в математическую точку. Дыра при этом совершенно пуста, кроме той самой точки. А в точке той наблюдается совсем уже невозможное – так называемая сингулярность: деление на ноль, бесконечная плотность, а уж отсюда следуют самые фантастические последствия. Например, проникновение в параллельную вселенную или мгновенное перемещение в другую точку нашего пространства.
Но уж как-то непривычно для нашего мира с точки зрения физики иметь деление на ноль, оно всегда как-то смущало. Типа оно только в математике может быть, а в реальности – никогда.
В 1976 году знаменитый британский физик-теоретик Стивен Хокинг обнаружил квантовый эффект, благодаря которому черная дыра, то есть тело, гравитация которого уже по определению не может выпустить свет наружу, все-таки его излучает. Он показал, что если есть пара «частица–античастица», связанные между собой квантово-механически, и одна из этих частиц падает в дыру, то оставшаяся на свободе может ее оттуда вытащить. Теперь кливлендские теоретики вроде бы доказали, что возникающее таким образом испарение черной дыры настолько интенсивно, что она испарится, не успев даже сформироваться.
Как уж они это сделали и насколько они правы в своих выводах, давайте не будем гадать, предоставим судить их коллегам. Но в действительности сомнения в существовании черных дыр высказываются уже давно, и время от времени появляются публикации, авторы которых доказывают, что никаких черных дыр нет. Несмотря на то что к сегодняшнему дню их уже открыто несколько сотен. «Но это не черные дыры, – утверждают кливлендские теоретики. – Это просто сверхмассивные космические объекты».
Член-корреспондент РАН Анатолий Черепащук, директор Государственного астрономического института им. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова, по этому поводу в комментариях осторожен.
«Действительно, – сказал он в беседе с корреспондентом «НГ», – здесь есть некоторая терминологическая путаница. Мы видим в небе объекты, которые ведут себя точно так же, как должны себя вести черные дыры, и мы верим, что это черные дыры, и мы называем их так, однако предстоит еще доказать, что это объекты, не имеющие поверхности. Но существует много косвенных указаний на то, что поверхности они как раз и не имеют».
В том, что черные дыры испаряются, Черепащук не видит ничего нового: «Они все испаряются. Если масса черной дыры не превышает массы средней горы, такой, например, как Ленинские горы в Москве, то есть 1015 граммов, то она действительно испарится в один момент, взрывом; тогда как дырам массой в несколько Солнц на полное испарение потребуются тысячи космологических времен. Есть, правда, экзотические теории, учитывающие то, что наше пространство имеет не 4 измерения, а 11, и по этим дополнительным измерениям черная дыра тоже испаряется. И, значит, процесс испарения происходит намного быстрей, чем в обычном четырехмерном пространстве. В каком-то смысле работа, о которой вы говорите, похожа на логическое продолжение этих теорий. Но, повторяю, существует множество косвенных свидетельств о том, что черные дыры все-таки существуют».
Да, существуют. Черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может покинуть эту область. Это происходит, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса rg.
Что это такое?
Черные дыры должны возникать в результате очень сильного сжатия массы , при этом поле тяготения возрастает настолько сильно, что не выпускает ни свет, ни какое-либо другое излучение. Чтобы преодолеть тяготение и вырваться из черной дыры, потребовалась бы вторая космическая скорость – больше световой. Но, согласно теории относительности, никакое тело не может развить скорость, большую скорости света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь. Оттуда также не может поступать информация. Невозможно узнать, что произошло с тем, кто попал в черную дыру. Уже вблизи дыр резко изменяются свойства пространства и времени.
Теоретическая возможность существования таких областей пространства-времени вытекает из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна. Проще говоря, Эйнштейн предсказал удивительные свойства черных дыр , из которых важнейшее – наличие у черной дыры горизонта событий. Согласно новейшим данным наблюдений, черные дыры действительно существуют и им присущи удивительные свойства. Существование черных дыр вытекает из теории гравитации: если эта теория верна, то истинным является существование черных дыр. Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования чёрных дыр следует понимать в смысле подтверждения существования астрономических объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как чёрные дыры общей теории относительности. Кроме того, чёрными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к такой чёрной дыре - например, это могут быть коллапсирующие звёзды на поздних стадиях коллапса.
Невращающаяся черная дыра
Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателя ход времени останавливается. Космический корабль, посланный к черной дыре, с точки зрения далекого наблюдателя никогда не пересечет горизонт событий, а будет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтом событий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит. Космонавт в своем корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этом космонавт, свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную и даже свое будущее. Это связано с тем, что внутри черной дыры пространственная и временная координаты меняются местами, и путешествие в пространстве здесь заменяется путешествием во времени.
Вращающаяся черная дыра
Ее свойства еще более удивительны. У них горизонт событий имеет меньший радиус, он погружен внутрь эргосферы – такой области пространства-времени, в которой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационным полем вращающейся черной дыры.
Эти необычные свойства черных дыр кажутся просто фантастическими, поэтому их существование в природе часто ставится под сомнение.
Черная дыра в составе двойной звездной системы
В этом случае наиболее сильно проявляются эффекты черной дыры, т.к. в двойной звездной системе одна звезда – яркий гигант, а вторая - черная дыра. Газ из оболочки звезды-гиганта вытекает к черной дыре, закручивается вокруг нее, образуя диск. Слои газа в диске по спиральным орбитам приближаются к черной дыре и падают в нее. Но до падения у границы черной дыры газ разогревается в результате трения до огромной температуры в миллионы градусов и излучает в рентгеновском диапазоне. По этому рентгеновскому излучению черные дыры и находят в двойных звездных системах.
Заключение
Предполагается, что массивные черные дыры возникают в центрах компактных звездных скоплений. Возможно, рентгеновский источник в созвездии Лебедя – Лебедь-Х-1 и есть такая черная дыра.
Астрономы не исключают, что в прошлом черные дыры могли возникать в начале расширения Вселенной, поэтому не исключено образование очень маленьких черных дыр.
Значения масс большого числа нейтронных звезд и черных дыр подтверждают справедливость предсказаний теории относительности А. Эйнштейна. В последние годы проблема гипотезы черных дыр во Вселенной превратилась в наблюдательную реальность. Это означает качественно новый этап в исследованиях черных дыр и их удивительных свойств, есть надежда на новые открытия в этой области.
Но сегодня мало кто из учёных сомневается в их существовании. Сверхплотные объекты с почти абсолютной массой и гравитацией являются конечным продуктом эволюции гигантских звёзд, они искривляют пространство и время и не позволяют , даже свету.
Тем не менее, Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton), профессор физики из Северного Калифорнийского университета, доказала математически, что чёрных дыр вообще может не быть в природе. В связи со своими выводами исследовательница не предлагает пересматривать современные представления о пространстве-времени, но считает, что в теориях о происхождении Вселенной учёные что-то упускают.
"Я до сих пор шокирована. На протяжении полувека мы изучаем явление чёрных дыр, и эти гигантские объёмы информации вкупе с нашими новыми выводами дают нам пищу для серьёзного размышления", — признаётся Мерсини-Хоутон в пресс-релизе .
Общепринятая теория гласит, что чёрные дыры образуются, когда массивная звезда коллапсирует под действием собственной гравитации к одной точке пространства. Так рождается сингулярность , бесконечно плотная точка. Её окружает так называемый горизонт событий, условная черта, которую всё то, что когда-либо пересекало, более никогда не возвращалось обратно в открытый космос, настолько сильным оказывалось притяжение чёрной дыры.
Причина необычности таких объектов заключается в том, что природу чёрных дыр описывают противоречащие друг другу физические теории — релятивизм и квантовая механика. Теория гравитации Эйнштейна предсказывает формирование чёрных дыр, но фундаментальный закон квантовой теории гласит, что никакая информация из Вселенной не может исчезнуть навсегда, а чёрные дыры, согласно Эйнштейну, частицы (и информация о них) исчезают для остальной части Вселенной за горизонтом событий навсегда.
Попытки объединить эти теории и прийти к единому описанию чёрных дыр во Вселенной закончились тем, что возник математический феномен — парадокс потери информации .
В 1974 году известнейший космолог Стивен Хокинг (Stephen Hawking) использовал законы квантовой механики, чтобы доказать, что за горизонт событий всё же могут выходить частицы. Этот гипотетический поток "удачливых" фотонов получил название излучении Хокинга . С тех пор астрофизики обнаружили несколько довольно точных свидетельств существования такого излучения.
(иллюстрация NASA/JPL-Caltech).
Но теперь Мерсини-Хоутон описывает совершенно новый сценарий эволюции Вселенной. Она соглашается с Хокингом в том, что звезда коллапсирует под действием собственной гравитации, после чего испускает потоки частиц. Тем не менее, в своей новой работе Мерсини-Хоутон показывает, что, испуская это излучение, звезда также теряет свою массу и делает это с такой скоростью, что при сжатии она не может обрести плотность чёрной дыры.
В своей статье исследовательница утверждает, что сингулярность не может сформироваться и, как следствие, . С документами ( , ), опровергающими существование чёрных дыр, можно ознакомиться на сайте препринтов ArXiv.org.
Поскольку считается, что наша Вселенная сама , то вопрос о верности теории Большого Взрыва также ставится под сомнение в связи с новыми выводами. Мерсини-Хоутон утверждает, что в её расчётах квантовая физика и релятивизм идут рука об руку, как и всегда мечтали учёные, и потому именно её сценарий может оказаться достоверным.
Интересные факты о черных дырахГениальный физик-теоретик и космолог Стивен Хокинг любит рассуждать на темы, которые заставляют нас переосмыслить множество научных явлений. Несколько дней назад его новое исследование заставило усомниться в существовании одного из самых загадочных явлений космоса — черных дыр.
По мнению исследователя (которое изложено в работе “Сохранение информации и прогнозы погоды для черных дыр”), то, что мы называем чёрными дырами, может существовать без так называемого “горизонта событий”, за который вырваться уже ничто не может. Хокинг считает, что чёрные дыры удерживают свет и информацию только какое-то время, а потом “выплёвывают” обратно в космос, правда, в изрядно искажённом виде.
Свое название чёрные дыры получили потому, что всасывают свет, который касается ее границ, и не отражают его
Формируясь в момент, когда достаточно сжатая масса вещества деформирует пространство и время, черная дыра имеет определенную поверхность, называемую “горизонтом событий”, знаменующую собой точку невозврата.
Черные дыры влияют на течение времени
Близко к уровню моря часы идут медленнее, чем на космической станции, а вблизи черных дыр и того медленнее. Это каким-то образом связано с силой тяжести.
Ближайшая черная дыра находится примерно в 1600 световых лет от нас
Наша галактика усеяна черными дырами, однако ближайшая из тех, что теоретически способны уничтожить нашу скромную планету, находится далеко за пределами нашей Солнечной системы.
Огромная черная дыра находится в центре галактики Млечный Путь
Она расположена на расстоянии 30 тысяч световых лет от Земли, а её размеры более чем в 30 миллионов раз превышают размеры нашего Солнца.
Черные дыры, в конце концов, испаряются
Считается, что ничто не может вырваться из черной дыры. Единственное исключение из этого правила - радиация. По мнению некоторых ученых, по мере того, как черные дыры излучают радиацию, они теряют массу. В результате этого процесса черная дыра может и вовсе исчезнуть.
Черные дыры имеют форму не воронки, а сферы
В большинстве учебников вы увидите черные дыры, которые выглядят, как воронки. Это происходит потому, что они проиллюстрированы с точки зрения гравитационного колодца. В действительности они больше похожи на сферу.
Вблизи черной дыры всё искажается
Черные дыры обладают способностью искажать пространство, и, поскольку они вращаются, то искажение усиливается по мере вращения.
Черная дыра может убить ужасным образом
Хотя это кажется очевидным, что черная дыра несовместима с жизнью, большинство людей думают, что там их бы просто раздавило. Не обязательно. Вас, скорее всего, растянуло бы до смерти, потому что часть вашего тела, первой достигшая «горизонта событий» оказалась бы под значительно большим влиянием силы тяжести.
Черные дыры не всегда черные
Хотя они известны своей чернотой, как мы уже говорили ранее, они на самом деле излучают электромагнитные волны.
Черные дыры способны не только разрушать
Конечно, в большинстве случаев, так и есть. Однако существуют многочисленные теории, исследования и предположения о том, что черные дыры действительно могут быть приспособлены для получения энергии и для космических путешествий.
Открытие черных дыр принадлежит не Альберту Эйнштейну
Альберт Эйнштейн только возродил теорию черных дыр в 1916 году. Задолго до того, в 1783 году, ученый по имени Джон Митчелл первым разработал эту теорию. Это произошло после того, как он задался вопросом, может ли гравитация стать настолько сильной, что даже легкие частицы не могли бы избежать ее.
Черные дыры гудят
Хотя вакуум в космосе на самом деле не передает звуковых волн, если слушать с помощью специальных инструментов, то можно услышать звуки атмосферных помех. Когда черная дыра затягивает что-то внутрь, ее горизонт событий ускоряет частицы, вплоть до скорости света, и они производят гул.
Черные дыры могут генерировать элементы, необходимые для зарождения жизни
Исследователи считают, что черные дыры создают элементы по мере своего распада на субатомные частицы. Эти частицы способны создавать элементы тяжелее гелия, такие как железо и углерод, а также многие другие, необходимые для формирования жизни.
Черные дыры не только “проглатывают”, но и “выплевывают”
Черные дыры известны тем, что всасывают все, что оказывается вблизи их горизонта событий. После того, как что-то попадает в черную дыру, оно сдавливается с такой чудовищной силой, что отдельные компоненты сжимаются и в конечном счете распадаются на субатомные частицы. Некоторые ученые предполагают, что эта материя затем выбрасывается из того, что называют “белой дырой”.
Любая материя может стать черной дырой
С технической точки зрения, черными дырами могут становиться не только звезды. Если бы ключи от вашей машины уменьшились до бесконечно малой точки, сохранив при этом свою массу, то их плотность достигла бы астрономического уровня, и сила их тяжести увеличилась бы до невероятности.
Законы физики теряют силу в центре черной дыры
Согласно теориям, вещество внутри черной дыры сжимается до бесконечной плотности, а пространство и время перестают существовать. Когда это происходит, законы физики перестают действовать, просто потому, что человеческий разум не способен вообразить предмет, имеющий нулевой объем и бесконечную плотность.
Черные дыры определяют количество звезд
По мнению некоторых ученых, число звезд во Вселенной ограничено количеством черных дыр. Это связано с тем, как они влияют на газовые облака и образование элементов в тех частях Вселенной, где рождаются новые звезды.
Как для ученых минувших столетий, так и для исследователей нашего времени наибольшей загадкой космоса является черная дыра. Что внутри этой совсем незнакомой для физики системы? Какие законы там действуют? Как идет время в черной дыре, и почему оттуда не могут вырваться даже кванты света? Сейчас мы попробуем, конечно же, с точки зрения теории, а не практики, разобраться в том, что внутри черной дыры, почему она, в принципе, образовалась и существует, как она притягивает объекты, которые ее окружают.
Для начала опишем этот объект
Итак, черной дырой именуется определенная область пространства во Вселенной. Выделить ее как отдельную звезду или планету невозможно, так как это не твердое и не газовое тело. Не имея базовых пониманий того, что такое пространство-время и как эти измерения могут видоизменяться, невозможно постичь того, что находится внутри черной дыры. Дело в том, что эта область не является лишь пространственной единицей. который искажает как три известных нам измерения (длину, ширину и высоту), так и временную шкалу. Ученые уверены в том, что в районе горизонта (так называется область, окружающая дыру) время принимает пространственное значение и может двигаться как вперед, так и назад.
Познаем тайны гравитации
Если мы желаем разобраться в том, что внутри черной дыры, рассмотрим детально, что такое гравитация. Именно это явление ключевое в понимании природы так называемых «кротовых нор», из которых не выбирается даже свет. Гравитацией называется взаимодействие между всеми телами, которые имеют материальную основу. Сила такого тяготения зависит от молекулярного состава тел, от концентрации атомов, а также от их состава. Чем больше частиц сколлапсировано в определенном участке пространства, тем больше гравитационная сила. Это неразрывно связано с Теорией Большого взрыва, когда наша Вселенная была размером с горошину. Это было состояние максимальной сингулярности, и в результате вспышки квантов света пространство стало расширяться за счет того, что частицы отталкивались друг от друга. С точностью до наоборот описывается учеными черная дыра. Что внутри такой штуковины в соответствии с ТБЗ? Сингулярность, которая равна показателям, присущим нашей Вселенной в момент зарождения.
Как попадает материя в «кротовую нору»?
Бытует мнение, что человек никогда не сможет понять, что происходит внутри черной дыры. Так как, попав туда, он будет буквально раздавлен гравитацией и силой тяжести. На самом деле это не совсем так. Да, действительно, черная дыра представляет собой область сингулярности, где все сжато до максимума. Но это вовсе не «космический пылесос», который способен затянуть в себя все планеты и звезды. Любой материальный объект, оказавшийся на горизонте событий, будет наблюдать сильное искажение пространства и времени (пока что эти единицы стоят отдельно). Эвклидова система геометрии начнет давать сбои, иными словами, пересекутся, очертания стереометрических фигур перестанут быть привычными. Что касается времени, то оно будет постепенно замедляться. Чем ближе вы будете приближаться к дыре, тем медленнее будут идти часы относительно Земного времени, но вы этого не заметите. При попадании в «кротовую нору» тело будет падать с нулевой скоростью, но при этом данная единица будет равняться бесконечности. кривизны, который приравнивает бесконечное к нулю, что окончательно останавливает время в области сингулярности.
Реакция на излучаемый свет
Единственным объектом в космосе, который притягивает свет, является черная дыра. Что внутри нее находится и в каком оно там виде - неизвестно, но полагают, что это кромешная тьма, которую представить себе невозможно. Световые кванты, попадая туда, не просто исчезают. Их масса умножается на массу сингулярности, что делает ее еще больше и увеличивает ее Таким образом, если внутри «кротовой норы» вы включите фонарик, чтобы осмотреться, он не будет светиться. Излучаемые кванты будут постоянно множиться на массу дыры, и вы, грубо говоря, лишь усугубите свое положение.
Черные дыры на каждом шагу
Как мы уже разобрались, основой образования является гравитация, величина которой там в миллионы раз превосходит земную. Точное представление о том, что такое черная дыра, подарил миру Карл Шварцшильд, который, собственно, и открыл тот самый горизонт событий и точку невозврата, а также установил, что ноль в состоянии сингулярности равен бесконечности. По его мнению, черная дыра может образоваться в любой точке пространства. При этом определенный материальный объект, имеющий сферическую форму, должен достичь гравитационного радиуса. Например, масса нашей планеты должна уместиться в объеме одного горошка, чтобы стать черной дырой. А Солнце должно иметь диаметр в 5 километров при своей массе - тогда его состояние станет сингулярным.
Горизонт образования нового мира
Законы физики и геометрии отлично действуют на земле и в открытом космосе, где пространство близится к вакууму. Но они полностью теряют свою значимость на горизонте событий. Именно поэтому с математической точки зрения невозможно рассчитать, что внутри черной дыры. Картинки, которые можно придумать, если искривлять пространство в соответствии с нашими представлениями о мире, наверняка далеки от истины. Установлено лишь, что время тут превращается в пространственную единицу и, скорее всего, к существующим измерениям прибавляются еще какие-то. Это дает возможность полагать, что внутри черной дыры (фото, как известно, этого не покажет, так как свет там съедает сам себя) образуются совсем иные миры. Эти Вселенные могут состоять из антивещества, которое ныне незнакомо ученым. Также существуют версии, что сфера невозврата - это лишь портал, который ведет либо в другой мир, либо в другие точки нашей Вселенной.
Рождение и смерть
Куда более чем существование черной дыры, является ее зарождение или исчезновение. Сфера, искажающая пространство-время, как мы уже выяснили, образуется в результате коллапса. Это может быть взрыв большой звезды, столкновение двух и более тел в космосе и так далее. Но каким образом материя, которую теоретически можно было бы ощупать, превратилась в область искажения времени? Загадка находится в процессе работы. Но за ней следует второй вопрос - почему такие сферы невозврата исчезают? И если черные дыры испаряются, то почему из них не выходит тот свет и вся космическая материя, которую они втянули? Когда вещество в зоне сингулярности начинает расширяться, гравитация постепенно снижается. В результате черная дыра просто растворяется, и на ее месте остается обычное вакуумное космическое пространство. Из этого вытекает еще одна загадка - куда подевалось все то, что в нее попало?
Гравитация - наш ключ к счастливому будущему?
Исследователи уверены в том, что энергетическое будущее человечества может сформировать именно черная дыра. Что внутри этой системы, пока что неизвестно, но удалось установить, что на горизонте событий любая материя трансформируется в энергию, но, конечно же, частично. К примеру, человек, оказываясь около точки невозврата, отдаст 10 процентов своей материи для ее переработки в энергию. Этот показатель просто колоссальный, он стал сенсацией у астрономов. Дело в том, что на Земле при материя перерабатывается в энергию лишь на 0,7 процента.